TW202141018A - 用於測量空浮分子污染之站體及方法 - Google Patents

Abstract

一種用於測量空浮分子污染之測量站體，包含： -     至少一個氣體分析儀(2)， -     至少兩個可控隔離閥(V1-V64)，並聯連接至該至少一個氣體分析儀(2)的輸入端， -     調節泵(3)， -     至少兩個校準孔口(C1-C64)，並聯連接至該調節泵(3)的輸入端， -     至少一個分配器(4)，配置成將每個可控隔離閥(V1-V64)在一側與採樣管線(L1-L64)連接，且在另一側與校準孔口(C1-C64)連接，以及 -     控制單元(6)，鏈接至該可控隔離閥(V1-V64)並被配置為命令該可控隔離閥(V1-V64)的打開或關閉，以便能夠將該至少一個氣體分析儀(2)與至少一條採樣管線(L1-L64)連接。

Description

用於測量空浮分子污染之站體及方法

本發明涉及一種測量空浮分子污染的測量站體，特別是用於檢測潔淨室(如半導體製造廠的潔淨室)大氣中的分子污染濃度。本發明還涉及一種通過這種站體測量空浮分子污染的方法。

在半導體製造工業中，為了防止空浮分子污染(airborne molecular contamination或AMC)破壞基板的晶片或電子電路，必須保護基板(如半導體晶片或光掩膜)。因此，基板被裝在大氣運輸和存儲箱中，允許將基板從一台設備運輸到下一台設備，或者將其存儲在兩個製造步驟之間。此外，運輸箱和設備之部件被安排在潔淨室內，其中的顆粒水平最小，而溫度、相對濕度及壓力保持在精確水平。

在潔淨室中，空浮氣態物質可有不同的來源和不同的性質，例如包含酸、鹼、可凝聚元素、摻雜元素。這些分子可能來自於半導體製造工廠內部的空氣，也可能是由經過先前製造操作的半導體晶圓散發出來的。

呈現於潔淨室中的氣體分析儀可實時評估空浮氣態物質(gaseous species)的濃度，特別是水氣和一些酸的濃度。所測量的濃度有時很低，如ppm或ppb級。這些氣體分析儀可測量周圍環境的氣體氣氛，因此，有必要在潔淨室的每個要進行測試的區域提供一個氣體分析儀。

有必要增加被測氣態物質的數量和測試區域的數量，以減少基板污染的風險。然而，將每個區域的分析儀數量成倍增加，並將這些要快速測試的區域成倍增加，造成這種解決方案成本非常高。

為了降低成本，提出了一種結合不同分析儀的測量單元。該單元設有多個輸入埠，每個輸入埠都針對潔淨室的特定測試區域。潔淨室的尺寸可能很大，並且隨著測試區域數量的增加，其證明有必要使用大量的採樣管線，這些採樣管線的長度通常會達到幾十公尺。氣體到達分析儀之測量元(measurement cell)的漫長路徑需要時間，這意味著訊息延遲。實際上，有必要至少一次用待量測氣體「替換」採樣管線中包含的所有體積，該氣體還可能通過吸附而容易地黏附在管線壁上，特別是對於所謂的待測極性氣態物質。如此，如果不在每次更換測試區域都等待很長時間，就很難獲得真正代表測試區域中氣態物質濃度的測量值。

一種解決方案是基於同時吸入至所有採樣管線。因此，氣體通過一個共同的排放口不斷地被吸入至所有的採樣管線中。但是，由於採樣管線可能很長，因此它們可吸附然後釋放出一部分輸送的氣態物質。然後，測量結果部分是先前測量結果的反映，如果超過閾值，則可能會使對結果的解釋及要做出的決定變得複雜。

WO2019/228844號文獻描述了一種測量站體，其中採樣電磁閥設置在每條採樣管線上，兩個調節電磁閥設置成繞過調節泵的輸入端，並且兩個測量電磁閥設置成繞過氣體分析儀的輸入端。這種配置使得可將至少一條採樣管線與調節泵連接，對於該採樣管線，按照氣體分析儀當前正在測量的採樣管線對測量進行程式化。因此，可以將最大的泵送流通量(throughput)用於可並行地執行的調節。

然而，在測量之前對管線進行脫氣可證實不足以完全消除管線在某些應用中的記憶效應，特別是當要監測的氣態物質係傾向於特定地黏附在壁上時，如某些酸的情況，如HF或例如是氨NH₃ 。

本發明之目的之一是提出一種至少部分地解決上述缺點之一的測量站體及方法。

為此，本發明之標的是一種用於測量空浮分子污染的測量站體，其包含： -     至少一個氣體分析儀， -     至少兩個可控隔離閥，並聯連接至該至少一個氣體分析儀的輸入端， -     調節泵， 其特徵在於，該測量站體還包含： -     至少兩個校準孔口，並聯連接至該調節泵的輸入端， -     至少一個分配器，其配置成將每個可控隔離閥在一側與採樣管線連接，且在另一側與校準孔口連接，以及 -     控制單元，其鏈接至該可控隔離閥並被配置為命令該可控隔離閥的打開或關閉，以便能夠將該至少一個氣體分析儀與至少一條採樣管線連接。

在運作中，調節泵通過校準孔口，連續地同時在所有採樣管線中泵送，包含其中執行測量的採樣管線。因此，所有採樣管線都可進行連續泵送，此一方面確保有效的調節，另一方面確保管線始終準備好進行測量，從而可以優化測量站體的速率。

校準孔口是簡單的機械零件，與閥相比價格便宜。另外，它們不需要預先的調整或設定，也不需要特別的維護，這可以限制人工成本和安裝時間。

因此，測量站體易於實施，並且沒有設定時間漂動的風險。也可以更改採樣管線，尤其是其長度，而無需執行新的設定，並且不會損害其他採樣管線中的測量。

此外，測量站體可包含以下描述的一個或多個特徵，單獨地或組合地使用。

測量站體例如是被配置為保證該校準孔口的最窄截面中在臨界區(critical regime)的氣體的流動。當該校準孔口的下游的壓力使得下游壓力與上游壓力之比小於或等於臨界值時，達到臨界區，則在該校準孔口的該最窄截面中的該氣體的速度(在該下游壓力處)係等於音速。假設該採樣管線中循環的大部分氣體是空氣，則該臨界值在空氣中為0.53。

然後，通過該校準孔口的流通量是音速的，這使得氣體幾乎不可能通過該校準孔口而反向散射，且因此使得該不同採樣管線之間的干擾成為不可能。儘管該採樣管線之間沒有機械屏障(沒有閥)，該校準孔口的流量尺寸允許在該校準孔口中處於臨界區的流量因此形成「流體屏障」，從而防止了該採樣管線之間的交叉污染，且允許在所有該採樣管線中均勻分佈的泵送。

該至少兩個校準孔口可在臨界區下將氣流定義為小於1.69 Pa.m³ /s(1 slm)。

該至少兩個校準孔口可具有小於6/10 mm、例如小於4/10 mm的尺寸。

該調節泵的流通量例如大於25.35 Pa.m³ /s(15 slm)。

測量站體可包含多於兩個的採樣管線，例如大於或等於16個，例如大於或等於128個。

該分配器可包含具有連接到該調節泵的公共段的收集器、連接到該公共段的至少兩個主分支、連接到該主分支的至少兩個次級分支，該次級分支帶有各自的校準孔口，該校準孔口連接到該可控隔離閥及該採樣管線。

該測量站體可包含介於該調節泵和該至少兩個校準孔口之間的壓力感測器。當該壓力感測器測量的壓力大於50000 Pa(500 mbar)，甚至大於40000(400 mbar)時，該控制單元可配置為發出警告。該壓力感測器可檢查該校準孔口的該下游壓力條件被確實地滿足，以保證在臨界區通過該校準孔口的流量。

該採樣管線及該可控隔離閥可具有與氣體接觸的內表面，該內表面由限制氣態物質黏附的材料(例如一種或多種含氟聚合物材料)來製成。

本發明的之又一個標的是一種在如上所述的測量站體中的測量方法，其特徵在於，至少一個氣體分析儀一次與一個採樣管線連接，該調節泵連續地同時在所有該採樣管線中泵送。

以下實施例是示例。儘管描述涉及一個或多個實施例，但這並不一定意味著每個參考都涉及相同實施例，或者這些特徵僅適用於單個實施例。也可以組合或交換不同實施例的簡單特徵以提供其他實施例。

「上游」被理解為是指相對於要泵送的氣體的循環方向被放置在另一個之前的元件。相反地，「下游」應理解為是指相對於要泵送的氣體的循環方向被放置在另一個之後的元件。

圖1顯示出了用於測量空浮分子污染的示例性測量站體1，旨在特別監視潔淨室(例如半導體製造廠的潔淨室)的大氣中的分子污染濃度。

從圖2可更好地看到，測量站體1包含至少一個氣體分析儀2、至少兩個並聯連接到至少一個氣體分析儀2的輸入端的可控隔離閥V1-V64、調節泵3、至少兩個並聯連接至調節泵3的輸入端的校準孔口C1-C64以及至少一個分配器4，其配置為將每個可控隔離閥V1‑V64在一側與採樣管線L1-L64連接，且在另一側與校準孔口C1-C64連接。

氣體分析儀2使得可實時地測量至少一種氣態物質的濃度，也就是說，測量持續時間少於幾秒鐘，甚至幾分鐘，而低於ppm或ppb的低濃度。所測量的氣態物質是例如酸，例如氫氟酸HF或鹽酸HCl或溶劑，例如PGMEA(丙二醇甲醚)。根據另一個例子，氣態物質是氨NH₃ 。至少一個氣體分析儀2還包含用於採集氣態樣品的內部泵。氣體分析儀2可適於測量不同的氣態物質或一組不同的氣態物質。在圖1的說明性示例中有七個氣體分析儀。

每個採樣管線L1-L64的末端旨在於環境壓力(即大氣壓)下出現在測試區域中。採樣管線L1-L4將測量站體1鏈接到不同的測試區域，例如在與潔淨室不同的地方。在兩個不同的地方至少出現兩個採樣管線L1-L64。測量站體1可包含大於或等於16個(例如大於或等於128個)的多個採樣管線L1-L64。在圖1的測量站體1的說明性示例中，有64條採樣管線L1-L64。採樣管線L1-L4的長度可在要連結的不同測試區域之間變化，可以是幾公尺或幾十公尺，例如多於200公尺。

如圖2所示，測量站體1還包含控制單元6，該控制單元6鏈接到可控隔離閥V1-V64，並配置為命令可控隔離閥V1-V64的開啟或關閉，以能夠將至少一個氣體分析儀2與至少一個採樣管線L1-L64連接。可控隔離閥V1-V64例如是電磁閥或氣動閥。它們係通過控制單元6在開(on)或關(off)模式(打開或關閉)中為可控制的。

採樣管線L1-L64及可控隔離閥V1-V64可具有與氣體接觸的內表面，這些表面是由限制氣態物質黏附的材料製成的，例如一種或多種含氟聚合物材料，例如全氟烷氧基(也稱為PFA)或聚四氟乙烯(也稱為PTFE)。

至少一個氣體分析儀2、調節泵3及至少一個分配器4例如安裝在測量站體1的機架10中，該機架10可連接到支撐例如控制單元6的電氣外殼(未示出)。機架10還可容納一個或多個氣瓶11，用於校準至少一個氣體分析儀2。

根據在圖3中可更好地看到的示例性實施例，分配器4包含收集器5，其具有公共段7的、至少兩個連接至該公共段7的主分支8(此為八個)及至少兩個連接到主分支8的次級分支9(此為八個)，次級分支9具有各自的校準孔口C1-C64。舉例而言，分配器4具有剛性結構，例如不銹鋼，每個分支8、9及段7由直管所形成，段7的截面大於主分支8的截面，其自身具有大於次級分支9之截面的截面。因為藉由調節泵3的連續泵送，不需要提供特殊的塗層來限制氣態物質在收集器5中的黏附。

校準孔口C1-C64例如通過螺接或焊接固定在次級分支9上。校準孔口C1-C64通過氣動「T型」連接器12在上游側並聯連接至採樣管線L1-L64及閥V1-V64。

測量站體1還可包含介於調節泵3和至少兩個校準孔口C1-C64之間的壓力感測器13，該壓力感測器13配置成測量校準孔口C1-C64的下游壓力。該壓力感測器13例如設置在收集器5的公共段7上(圖2)。壓力感測器13使得可以檢查測量站體1的正確操作，並且尤其是下游壓力足夠低以允許在臨界區下通過校準孔口C1-C64的流動。

事實上，測量站體1可被配置為用於在校準孔口C1-C64的最窄截面中以臨界或「音速」流(文獻中的「阻塞流(chocked flow)」)的氣體流動。當校準孔口C1-C64下游的壓力使得下游壓力與上游壓力之比小於或等於臨界值時，達到臨界區，則在校準孔口的最窄截面中的氣體速度(在下游壓力下)等於聲速。該臨界值在空氣中為0.53，假定採樣管線中循環的大多數氣體是空氣。

然後，通過校準孔口C1-C64的流通量是音速，這使得氣體幾乎不可能通過校準孔口C1-C64向後散射，因此使得不同採樣管線L1-L64之間的干擾成為不可能。儘管在採樣管線L1-L64之間沒有機械屏障(沒有閥)，校準孔口C1-C64的流動尺寸允許在校準孔C1-C64中處於臨界區的流動因此形成了「流體屏障」，防止採樣管線L1-L64之間的交叉污染，並允許在所有採樣管線L1-L64中均勻分佈的泵送。

在臨界區下通過校準孔口C1-C64的流通量例如小於1.69 Pa.m³ /s(1 slm)，例如小於1.352 Pa.m³ /s(0.8 slm)。該流量例如為1.1323 Pa.m³ /s(0.67 slm)。

至少兩個校準孔口C1-C64具有例如小於6/10 mm(例如小於4/10 mm)的尺寸(最窄的截面)。校準孔口C1-C64具有例如等於0.28 mm的尺寸。

測量站體1的校準孔口C1-C64可具有或可不具有相同的截面。例如，它們是穿孔的晶體(或其他部分)。

調節泵3的抽吸能力被定義為大於校準孔口C1-C64的流通量乘以校準孔口(或採樣管線L1-L64)的數量的乘積。還根據採樣管線L1-L64中所需的更新速率來選擇。調節泵3的流通量例如大於25.35 Pa.m³ /s(15 slm)。在說明性示例中，調節泵3的流通量大於64×0.67 slm。

可以監控壓力以確保在調節泵3處之壓力足夠低，以確保臨界區在校準孔口C1-C64處。為此，舉例而言，控制單元6配置為在由壓力感測器13測量的壓力超過50000 Pa(500 mbar)、甚至40000 Pa時，發出警告。

這些在臨界區處的氣流值係由校準孔口C1-C64的最窄截面的尺寸、從調節泵3的泵送能力及從要調節的採樣管線L1-L64的數量來決定，使得可在採樣管線中獲得最小可接受的更新速率，並使採樣管線L1-L64之間的差異可忽略，以便所有採樣管線L1-L64都能均勻地分配泵送流量，並且即使管線短得多，也沒有比任何其他管線較不好脫氣的管線。

在操作中，氣體分析儀2一次連接一條管線，控制單元6通過輪流且一次僅打開一個可控隔離閥V1-V64來命令測量順序。

調節泵3同時通過校準孔口C1-C64連續地在所有採樣管線L1-L64中泵送，包含在其中進行測量的採樣管線L1-L64。因此，所有採樣管線L1-L64都可進行連續泵送，此一方面確保有效的調節，另一方面確保採樣管線始終準備好進行測量，從而可優化測量站體1的速率。

校準孔口C1-C64是簡單的機械零件，與閥相比價格便宜。另外，它們不需預先的調整或設定，也不需任何特定的維護，這可以限制人工成本和安裝時間。

因此，測量站體1易於實施，並且沒有設定時間漂動的風險。考慮到在臨界區處校準孔口C1-C64中不可能有反向散射，也可以更改採樣管線，特別是其長度，而無需執行新的設定，並且也不會損害其他採樣管線L1-L64中的測量。

1:測量站體 2:氣體分析儀 3:調節泵 4:分配器 5:收集器 6:控制單元 7:公共段、段 8:主分支、分支 9:次級分支、分支 10:機架 11:氣瓶 12:氣動「T型」連接器 13:壓力感測器 C1~C64:校準孔口 V1~V64:可控隔離閥、閥 L1~L64:採樣管線

在閱讀以下對本發明的特定但非限制性實施例的描述以及附圖後，其他優點和特徵將呈現，而其中： [圖1]表示從後方觀察的用於測量空浮分子污染的站體的元件的示意圖。 [圖2]表示圖1的測量站體的元件的示意圖，特別是四個採樣管線和一個氣體分析儀。 [圖3]顯示出了圖1的測量站體的示例性分配器。

在這些圖中，相同的元件具有相同的元件符號。

1:測量站體

2:氣體分析儀

3:調節泵

4:分配器

5:收集器

6:控制單元

7:公共段、段

12:氣動「T型」連接器

13:壓力感測器

C1~C64:校準孔口

L1~L64:採樣管線

V1~V64:可控隔離閥、閥

Claims (11)

1. 一種用於測量空浮分子污染的測量站體(1)，包含： 至少一個氣體分析儀(2)， 至少兩個可控隔離閥(V1-V64)，並聯連接至該至少一個氣體分析儀(2)的輸入端， 調節泵(3)， 其特徵在於，該測量站體(1)還包含： 至少兩個校準孔口(C1-C64)，並聯連接至該調節泵(3)的輸入端， 至少一個分配器(4)，配置成將每個可控隔離閥(V1-V64)在一側與採樣管線(L1-L64)連接，且在另一側與校準孔口(C1-C64)連接，以及 控制單元(6)，鏈接至該可控隔離閥(V1-V64)並被配置為命令該可控隔離閥(V1-V64)的打開或關閉，以便能夠將該至少一個氣體分析儀(2)與至少一條採樣管線(L1-L64)連接。
2. 如請求項1的測量站體(1)，其中，該測量站體(1)被配置為保證該校準孔口(C1-C64)的最窄截面中在臨界區的氣體的流動。
3. 如請求項2的測量站體(1)，其中，該測量站體(1)被配置成保證在臨界區下的該氣體的流動，對於該臨界區，下游壓力與上游壓力之比在該校準孔口(C1-C64)的該最窄截面中小於或等於0.53。
4. 如請求項2或3的測量站體(1)，其中，該至少兩個校準孔口(C1-C64)在臨界區下將氣流定義為小於1.69 Pa.m³ /s。
5. 如請求項2或3的測量站體(1)，其中，該至少兩個校準孔口(C1-C64)具有小於6/10 mm，例如小於4/10 mm的尺寸。
6. 如請求項2或3的測量站體(1)，其中，該調節泵(3)的流通量大於25.35 Pa.m³ /s。
7. 如請求項1至3中任一項的測量站體(1)，其中，該測量站體(1)包含多於兩個的採樣管線(L1-L64)，例如大於或等於16個，例如大於或等於128個。
8. 如請求項1至3中任一項的測量站體(1)，其中，該分配器(4)包含收集器(5)，其具有連接到該調節泵(3)的公共段(7)、連接到該公共段(7)的至少兩個主分支(8)、連接到該主分支(8)的至少兩個次級分支(9)，該次級分支(9)帶有各自的校準孔口(C1-C64)，該校準孔口(C1-C64)連接到該可控隔離閥(V1-V64)及該採樣管線(L1-L64)。
9. 如請求項1至3中任一項的測量站體(1)，其中，該測量站體(1)包含介於該調節泵(3)及該至少兩個校準孔口(C1-C64)之間的壓力感測器(13)，該控制單元(6)配置為在該壓力感測器(13)所測得的壓力大於50000 Pa時發出警告。
10. 如請求項1至3中任一項的測量站體(1)，其中，該採樣管線(L1-L64)及該可控隔離閥(V1-V64)具有與該氣體接觸的內表面，該內表面是由限制氣態物質黏附的材料製成的，例如一種或多種含氟聚合物材料。
11. 一種測量方法，在如請求項1至10中任一項的測量站體(1)中，其特徵在於，該至少一個氣體分析儀(2)一次與一個採樣管線(L1-L64)連接，該調節泵(3)連續地同時在所有該採樣管線(L1-L64)中泵送。

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